一種基于斜塊箝位的大載荷高精度尺蠖型壓電直線驅(qū)動器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于斜塊箝位的大載荷高精度尺蠖型壓電直線驅(qū)動器，其目的是解決現(xiàn)有設(shè)備存在的載荷輸出小、運動穩(wěn)定性差等問題。該裝置由底座（1）、固定螺栓（2）、箝位斜塊A1（3）、定子（4）、預(yù)緊片（5）、箝位斜塊A2（6）、復(fù)位螺栓（7）、箝位彈簧A2（8）、動子（9）、壓電疊堆（10）、箝位彈簧B2（11）、箝位斜塊B2（12）、復(fù)位彈簧Ⅰ（13）、復(fù)位彈簧Ⅱ（14）、箝位斜塊B1（15）、箝位彈簧B1（16）、箝位彈簧A1（17）、柔性鉸鏈（18）、動力輸出孔（19）、滑動面（20）和箝位斜面（21）組成。本發(fā)明只采用一個壓電疊堆,利用四對箝位斜塊之間的自鎖效應(yīng)實現(xiàn)箝位，可將壓電疊堆作用力轉(zhuǎn)化為有效驅(qū)動力，承載能力大。該裝置可被廣泛用于精密超精密微細加工與測量等領(lǐng)域，具有良好的商業(yè)化前景。
【專利說明】—種基于斜塊箝位的大載荷高精度尺蠖型壓電直線驅(qū)動器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于斜塊箝位的大載荷高精度尺蠖型壓電直線驅(qū)動器，屬于精密儀器設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】。主要應(yīng)用于超精密加工機床、精密超精密微細加工與測量技術(shù)、材料試件納米力學(xué)性能檢測、微機電系統(tǒng)、精密光學(xué)、半導(dǎo)體制造、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)與生物遺傳工程、航空航天、機器人、軍事技術(shù)等高尖端的科學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對產(chǎn)品加工精度的要求越來越高，尤其是在精密超精密微細加工與測量技術(shù)、微機電系統(tǒng)、納米科技、半導(dǎo)體制造、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)與生物遺傳工程、航空航天科技、軍事技術(shù)等高尖端的科學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】中顯得格外重要。要想實現(xiàn)產(chǎn)品零件的精密超精密加工，就必須提供一種合適的高精度的驅(qū)動裝置。傳統(tǒng)的驅(qū)動裝置，如普通電機、絲杠螺母、蝸輪蝸桿等宏觀大尺寸驅(qū)動裝置已很難滿足其精度要求。因此，各國的科研人員傾力于研究性能更優(yōu)越的新型高精度驅(qū)動裝置。
[0003]通過各國科研人員的不斷探索，相當(dāng)多的新型驅(qū)動裝置已經(jīng)被研制出來了，其中的一些已經(jīng)得到了實際應(yīng)用。按照驅(qū)動元件的不同，新型驅(qū)動裝置大體可分為以下幾類:相變材料驅(qū)動裝置、熱變形驅(qū)動裝置、形狀記憶合金驅(qū)動裝置、電磁驅(qū)動裝置、靜電驅(qū)動裝置、磁致伸縮驅(qū)動裝置、電流變驅(qū)動裝置、電致伸縮驅(qū)動裝置、壓電驅(qū)動裝置等。其中能夠達到納米級精度的目前只有電致伸縮驅(qū)動裝置和壓電驅(qū)動裝置。相比電致伸縮驅(qū)動裝置，壓電驅(qū)動裝置因為體積小、重量輕、響應(yīng)快(微秒級)、控制特性好、能量密度大、能耗低、不受磁場影響等特點而得到了更廣泛的應(yīng)用。
[0004]根據(jù)驅(qū)動機理的不同，壓電驅(qū)動器可分為壓電超聲波驅(qū)動器、壓電慣性驅(qū)動器和尺蠖型壓電驅(qū)動器等。尺蠖型壓電驅(qū)動器是仿照自然界中的爬行動物尺蠖，利用“箝位-驅(qū)動-箝位”的方式運動，也被稱為蠕動式壓電驅(qū)動器。它利用尺蠖原理，將壓電元件的單步微量位移不斷積累，形成連續(xù)的步進的精密位移輸出，可以實現(xiàn)大行程高分辨率的運動，從而有效的解決了現(xiàn)有技術(shù)中幾種驅(qū)動器大行程和高分辨率不能共存的問題，同時具有驅(qū)動原理簡單，易于控制，輸出力大等特點。
[0005]吉林大學(xué)等已研制出幾種尺蠖型壓電驅(qū)動器，并獲得了很好的效果?，F(xiàn)有的尺蠖型壓電驅(qū)動器大多采用壓電疊堆的作用力，使箝位面向?qū)к壝鏉q緊，有的要在箝位面與導(dǎo)軌面之間加一層摩擦材料，但無論如何，都是利用箝位面與導(dǎo)軌面之間接觸產(chǎn)生的靜摩擦力提供箝位力，而箝位力的大小和箝位力的穩(wěn)定性直接影響驅(qū)動器的承載能力、運動分辨率和運動穩(wěn)定性。由于驅(qū)動器箝位面與導(dǎo)軌面之間的接觸屬于小間隙接觸(只有幾微米)，使得驅(qū)動器的性能容易受到外界因素如時效、溫度、磨損、加工裝配誤差等因素的影響。鑒于該箝位原理的局限性，這種驅(qū)動器本身不可能有較大的輸出力，并且由于磨損的存在，運行一段時間之后，由于間隙變大普遍出現(xiàn)輸出負載下降，直線度不穩(wěn)定的現(xiàn)象，最終影響使用壽命。
[0006]可見，開發(fā)新的箝位原理，設(shè)計一種大行程、高精度、使用壽命長、運行穩(wěn)定、具有高承載能力的壓電直線驅(qū)動器十分必要。
[0007]檢索相關(guān)文獻，可以將目前集成電路芯片微區(qū)表面溫度分布的檢測方法的局限性總結(jié)如下:
[0008]1.載荷輸出小，運動穩(wěn)定性差，易出現(xiàn)箝位不穩(wěn)定和直線度不穩(wěn)定的現(xiàn)象；
[0009]2.箝位斜塊之間磨損大，易造成輸出載荷的下降甚至驅(qū)動器失效，使用壽命短；
[0010]3.結(jié)構(gòu)和操作復(fù)雜、成本高、能耗大；
[0011]4.同時實現(xiàn)大行程和高分辨率的驅(qū)動。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的在于提供一種新型尺蠖型壓電直線驅(qū)動器，提出一種新型的箝位原理，解決現(xiàn)有技術(shù)存在的載荷輸出小、運動穩(wěn)定性差、使用壽命短、設(shè)備結(jié)構(gòu)和操作復(fù)雜、成本高、能耗大、無法同時實現(xiàn)大行程和高分辨率的驅(qū)動等問題。該種壓電直線驅(qū)動器具有箝位穩(wěn)定，載荷輸出大，能耗低，控制簡便，使用壽命長的特點，并能實現(xiàn)較大行程精密直線運動。
[0013]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的，結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】如下:
[0014]1.一種基于斜塊箝位的大載荷高精度尺蠖型壓電直線驅(qū)動器，主要由底座1、固定螺栓2、箝位斜塊A13、定子4、預(yù)緊片5、箝位斜塊A26、復(fù)位螺栓7、箝位彈簧A28、動子
9、壓電疊堆10、箝位彈簧B211、箝位斜塊B212、復(fù)位彈簧I 13、復(fù)位彈簧II 14、箝位斜塊BI 15、箝位彈簧BI 16、箝位彈簧Al 17、柔性鉸鏈18、動力輸出孔19、滑動面20和箝位斜面21組成；其中，定子4通過六個固定螺栓2安裝于底座I上，定子4上面有四個箝位斜塊A13、A26、B115、B212和動子9的滑動軌道，也有四個箝位彈簧A117、A28、B116、B211和兩個復(fù)位彈簧I 13、II 14的定位卡槽；四個箝位斜塊A13、A26、B115、B212通過自己的滑動面安裝于定子4的滑動軌道內(nèi)，箝位斜塊上面有箝位彈簧的定位卡槽，四個箝位彈簧A117、A28、B116、B211分別安裝于四對定位卡槽內(nèi)，四個箝位斜塊上面分別安裝一個復(fù)位螺栓7 ;動子9通過自己的滑動面安裝于定子4的滑動軌道內(nèi)，上面有復(fù)位彈簧的定位槽，兩個復(fù)位彈簧I 13、II 14分別安裝于兩對定位槽內(nèi)；壓電疊堆10和預(yù)緊片5安裝于動子9的定位槽內(nèi)；
[0015]2.所述的四對高精度的箝位斜塊由A13、A26、B115和B212及其對應(yīng)的動子上的箝位斜面組成，通過每對箝位斜塊之間的自鎖效應(yīng)實現(xiàn)驅(qū)動器的箝位；
[0016]3.所述的動子集柔性鉸鏈18、動力輸出孔19、滑動面20和箝位面21等于一體；
[0017]4.所述的整個驅(qū)動器僅需要一個壓電疊堆；
[0018]5.所述的箝位斜面要求回程能夠達到自鎖效果,其斜角0應(yīng)小于arctanii ( U為箝位斜面之間的動摩擦系數(shù));
[0019]6.所述的驅(qū)動器在斷電后處于自鎖狀態(tài)。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果是:
[0021]利用箝位斜塊之間的自鎖實現(xiàn)穩(wěn)定箝位，箝位作用力大，可以將驅(qū)動壓電疊堆由逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的絕大部分作用力轉(zhuǎn)化為驅(qū)動器的有效驅(qū)動力，因此能夠?qū)崿F(xiàn)較大載荷的輸出；箝位斜塊之間磨損小，不會因為磨損而造成輸出載荷的下降甚至驅(qū)動器失效，使用壽命長；整個驅(qū)動器僅需要一個壓電疊堆，成本低，能耗小，控制簡便，響應(yīng)時間短，可被廣泛應(yīng)用于各類精密超精密加工與運動；能實現(xiàn)大行程、高分辨率的直線運動?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是本發(fā)明的俯視示意圖；
[0024]圖3是本發(fā)明的動子9的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖4是本發(fā)明的運動原理圖。
[0026]圖中:1、底座；2、固定螺栓；3、箝位斜塊Al ;4、定子；5、預(yù)緊片；6、箝位斜塊A2 ;7、復(fù)位螺栓；8、箝位彈簧A2 ;9、動子；10、壓電疊堆；11、箝位彈簧B2 ;12、箝位斜塊B2 ;13、復(fù)位彈簧I ;14、復(fù)位彈簧II ;15、箝位斜塊BI ;16、箝位彈簧BI ;17、箝位彈簧Al ;18、柔性鉸鏈；19、動力輸出孔；20、滑動面；21、箝位斜面。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明的詳細內(nèi)容及其【具體實施方式】:
[0028]一.參閱圖1一圖4，本發(fā)明所述的一種基于斜塊箝位的大載荷高精度尺蠖型壓電直線驅(qū)動器，包括底座1、固定螺栓2、箝位斜塊A13、定子4、預(yù)緊片5、箝位斜塊A26、復(fù)位螺栓7、箝位彈簧A28、動子9、壓電疊堆10、箝位彈簧B211、箝位斜塊B212、復(fù)位彈簧I 13、復(fù)位彈簧II 14、箝位斜塊B115、箝位彈簧B116、箝位彈簧A117、柔性鉸鏈18、動力輸出孔19、滑動面20和箝位斜面21 ；
[0029]1.所述的定子4通過六個固定螺栓2安裝于底座I上，定子4上面有四個箝位斜塊A13、A26、B115、B212和動子9的滑動軌道，也有四個箝位彈簧A117、A28、B116、B211和兩個復(fù)位彈簧I 13、II 14的定位卡槽；四個箝位斜塊A13、A26、B115、B212通過自己的滑動面安裝于定子4的滑動軌道內(nèi)，箝位斜塊上面有箝位彈簧的定位卡槽，四個箝位彈簧A117、A28、B116、B211分別安裝于四對定位卡槽內(nèi)，四個箝位斜塊上面分別安裝一個復(fù)位螺栓7 ;動子9通過自己的滑動面安裝于定子4的滑動軌道內(nèi)，上面有復(fù)位彈簧的定位槽，兩個復(fù)位彈簧I 13、II 14分別安裝于兩對定位槽內(nèi)；壓電疊堆10和預(yù)緊片5安裝于動子9的定位槽內(nèi)；
[0030]2.參閱圖3，所述的動子集柔性鉸鏈18、動力輸出孔19、滑動面20和箝位面21等于一體，結(jié)構(gòu)緊湊，運動平穩(wěn)，干擾作用力??；
[0031]3.所述的整個驅(qū)動器僅需要一個壓電疊堆實現(xiàn)，能耗小，成本低；
[0032]4.所述的箝位斜面要求回程能夠達到自鎖效果,其斜角Θ應(yīng)小于arctany ( μ為箝位斜面之間的動摩擦系數(shù));
[0033]5.所述的驅(qū)動器在斷電后，系統(tǒng)仍處于自鎖狀態(tài)。
[0034]二.參閱圖4，本發(fā)明的具體工作過程如下:
[0035]1.由于該驅(qū)動器為對稱結(jié)構(gòu)，現(xiàn)取其一側(cè)進行說明，初始狀態(tài)時，壓電疊堆10不帶電，箝位斜塊3在箝位彈簧17的作用下緊貼動子9的左側(cè)箝位面，箝位斜塊15在箝位彈簧16的作用下緊貼動子9的右側(cè)箝位面，如狀態(tài)一；
[0036]2.當(dāng)驅(qū)動器要實現(xiàn)進給時，給壓電疊堆10通電，在逆壓電效應(yīng)作用下，壓電疊堆10伸長，由于左側(cè)箝位斜面之間向左處于自鎖狀態(tài)，實現(xiàn)箝位，壓電疊堆10只能向右伸長，這時，箝位斜塊15與動子9右側(cè)箝位面分離產(chǎn)生間隙，如狀態(tài)二 ；[0037]3.箝位斜塊15在箝位彈簧16的作用下向上平移，再次緊貼動子9的右側(cè)箝位面，如狀態(tài)三；
[0038]4.給壓電疊堆10斷電，壓電疊堆10恢復(fù)原長，由于箝位斜塊15與動子9右側(cè)箝位面之間向左處于自鎖狀態(tài)，實現(xiàn)箝位，壓電疊堆10只能向右恢復(fù)原長，這時，箝位斜塊3與動子9左側(cè)箝位面分離產(chǎn)生間隙，如狀態(tài)四；
[0039]5.箝位斜塊3在箝位彈簧17的作用下向上平移，再次緊貼動子9的左側(cè)箝位面，如狀態(tài)五。
[0040]這樣就完成了尺蠖型壓電驅(qū)動器直線運動的一步，重復(fù)以上操作可以使得動子9沿固定方向做步進式直線運動。
[0041]當(dāng)驅(qū)動器運動完成需要恢復(fù)原位時，手動向兩側(cè)推動四個復(fù)位螺栓7，動子9便會在復(fù)位彈簧I 13和II 14的作用下恢復(fù)原位。
【權(quán)利要求】
1.一種基于斜塊箝位的大載荷高精度尺蠖型壓電直線驅(qū)動器，主要由底座(I)、固定螺栓(2)、箝位斜塊Al (3)、定子(4)、預(yù)緊片(5)、箝位斜塊A2 (6)、復(fù)位螺栓(7)、箝位彈簧A2 (8)、動子(9)、壓電疊堆(10)、箝位彈簧B2 (11)、箝位斜塊B2 (12)、復(fù)位彈簧I (13)、復(fù)位彈簧II (14)、箝位斜塊BI (15)、箝位彈簧BI (16)、箝位彈簧Al (17)等組成；其特征在于，定子4通過六個固定螺栓2安裝于底座I上，定子4上面有四個箝位斜塊Al (3)、A2 (6)、B1 (15)、B2 (12)和動子(9)的滑動軌道，也有四個箝位彈簧Al (17)、A2 (8)、B1(16)、B2 (11)和兩個復(fù)位彈簧I (13)、II (14)的定位卡槽；四個箝位斜塊Al (3)、A2 (6)、BI (15)、B2 (12)通過自己的滑動面安裝于定子4的滑動軌道內(nèi)，箝位斜塊上面有箝位彈簧的定位卡槽，四個箝位彈簧Al (17)、A2 (8)、BI (16)、B2 (11)分別安裝于四對定位卡槽內(nèi)，四個箝位斜塊上面分別安裝一個復(fù)位螺栓(7);動子(9)通過自己的滑動面安裝于定子(4)的滑動軌道內(nèi)，上面有復(fù)位彈簧的定位槽，兩個復(fù)位彈簧I (13)、II (14)分別安裝于兩對定位槽內(nèi)；壓電疊堆(10)和預(yù)緊片(5)安裝于動子(9)的定位槽內(nèi)。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種基于斜塊箝位的大載荷高精度尺蠖型壓電直線驅(qū)動器，其特征在于，所述的四對箝位斜塊由Al (3)、A2 (6)、BI (15)和B2 (12)及其對應(yīng)的動子上的箝位斜面組成，通過每對箝位斜塊之間的自鎖效應(yīng)實現(xiàn)驅(qū)動器的箝位。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的一種基于斜塊箝位的大載荷高精度尺蠖型壓電直線驅(qū)動器，其特征在于，所述的動子集柔性鉸鏈(18)、動力輸出孔(19)、滑動面(20)和箝位面(21)等于一體。
4.按照權(quán)利要求1或2所述的一種基于斜塊箝位的大載荷高精度尺蠖型壓電直線驅(qū)動器，其特征在于，所述的整個驅(qū)動器僅需要一個壓電疊堆。
5.按照權(quán)利要求1或2所述的一種基于斜塊箝位的大載荷高精度尺蠖型壓電直線驅(qū)動器，其特征在于，所述的箝位斜面(21)要求回程能夠達到自鎖效果，其斜角0應(yīng)小于arc tan U , U為箝位斜面之間的動摩擦系數(shù)。
6.按照權(quán)利要求1或2所述的一種基于斜塊箝位的大載荷高精度尺蠖型壓電直線驅(qū)動器，其特征在于，所述的驅(qū)動器在斷電后處于自鎖狀態(tài)。
【文檔編號】H02N2/02GK103780142SQ201410029808
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月22日
【發(fā)明者】王書鵬, 張志輝, 任露泉, 趙宏偉, 梁云虹, 朱冰 申請人:吉林大學(xué)